Un avion électrique hybride réduira les émissions et le bruit

Les moteurs électriques dans l'air auront le même aspect qu'au sol - les batteries seront d'abord utilisées pour aider le moteur à brûler du carburant

Le 31 mai 2018, un avion électrique Magnus eFusion avec un moteur Siemens s'est écrasé en Hongrie . Son pilote, Janusz B., mentionné dans l'article, et le passager sont décédés. Siemens travaille avec les autorités locales pour enquêter sur les causes de l'accident.

Je suis assis dans le cockpit de l'un des avions les plus incroyables au monde. Il s'agit d'un avion biplace eFusion léger, fabriqué par Magnus Aircraft , équipé d'un moteur de Siemens - une énorme entreprise, célèbre pour sa contribution à l'aviation. Je détache mes pieds des pédales de commande juste avant que le pilote n'allume sa voiture.

L'hélice commence instantanément à tourner et devient presque invisible. Mais en même temps, il y a un tel silence que nous pouvons facilement communiquer sans casque. C'est le premier signe que l'avion est propulsé par l'électricité.

Nous commençons à rouler le long d'une petite piste dans le champ herbeux de Budapest. 10 h, ciel ensoleillé, fermes visibles au loin. Soudain, nous sautons dans le ciel et commençons à grimper en flèche, les maisons de ferme rétrécissent tendrement. Les vaches ci-dessous ne regardent même pas. Cette accélération rapide, l'équivalent pour l'aviation du mode de fonctionnement ludique de Tesla Model S, est un autre signe d'un moteur électrique. Vous obtenez toutes les capacités du moteur, et immédiatement.

Puis nous plongeons, dévions sur le côté et montons à nouveau, laissant mon ventre quelque part derrière. Pas mal pour un simple avion capable de quelques acrobaties aériennes, comme me l'a décrit Gergely György Balázs, responsable du bureau de recherche de Budapest Siemens, comme si je m'excusais avant de monter dans l'avion. Heureusement pour moi, le pilote du modèle, capable de toutes les acrobaties aériennes, était en déplacement.

Après 15 minutes revigorantes, les batteries étaient à moitié pleines, à moins de 10 kWh, et il était temps d'atterrir. C'est le dernier signe d'un moteur électrique. Bien que les batteries lithium-ion, dont les racks sont cachés dans un boîtier devant la cabine, stockent aujourd'hui beaucoup plus d'énergie qu'elles ne l'étaient il y a quelques années, elles ne se rapprochent pas du réservoir d'essence. Ainsi, dans les années à venir, les capacités de tous les avions électriques seront limitées par de courts sauts, principalement entre les colonies voisines, et non entre les villes.

L'aviation est responsable de 2 à 3% des émissions mondiales de gaz à effet de serre. Mais son efficacité par unité de volume est considérée comme très élevée, car beaucoup de gaz sont émis dans la stratosphère. La part de l'aviation dans les émissions devrait augmenter rapidement au cours des deux prochaines décennies, avec une augmentation du nombre de vols et une diminution des émissions provenant d'autres sources - en particulier, de la production d'électricité et de voitures.

En 2016, 23 pays ont signé un accord pour limiter les émissions de carbone des avions, qui devrait commencer en 2020, selon les normes élaborées par l'Organisation de l'aviation civile internationale, l'OACI (Organisation de l'aviation civile internationale), une agence des Nations Unies. Par conséquent, les chercheurs du monde entier cherchent des moyens de satisfaire ces limites.

Mais comment les avions électriques, limités à une distance ridiculement petite, peuvent-ils aider? Ils sont considérés comme une étape critique dans l'évolution technologique de l'aviation, qui va répéter la migration, à partir de maintenant, de l'industrie automobile des moteurs à combustion interne vers les moteurs électriques. Dans 15 ans, les avions hybrides de passagers combinant électricité et carburant pourraient commencer à fonctionner sur des vols court et moyen-courriers. Les hybrides brûleront du carburant, mais faites-le avec parcimonie.


Concept de ciel bleu. Capable de voltige, la version Extra 330LE, un avion léger modifié par Siemens pour fonctionner à l'électricité. Lors des premiers tests de fin 2016, il a établi un record de la hauteur des vols électriques, grimpant 3000 mètres en 4 minutes 22 secondes.

"Nous pouvons faire une grande différence à l'échelle des petits avions d'entraînement propulsés par l'électricité, car la physique n'y fait pas obstacle", a déclaré George Bai, directeur de Bye Aerospace , qui fournit des avions d'entraînement électriques à Siemens. «Mais pour augmenter les vitesses et les masses nécessaires aux liners, il est nécessaire de passer à une installation hybride. L'industrie y travaille activement. »

Jusqu'à présent, les hybrides sont nécessaires parce que, bien que le carburant d'aviation donne 12500 W * h d'énergie par kilogramme, les batteries lithium-ion ne donnent que 160 W * h / kg, compte tenu du poids des batteries et de tout autre équipement qui assure leur sécurité.

Pour élever des hybrides dans l'air, il faudra de nombreuses percées technologiques. Naturellement, ils apparaîtront à la suite de programmes de recherche et développement. Mais ils se produiront également grâce à des tentatives, telles que celles faites par Siemens, pour mettre en service des avions d'entraînement électriques, et, très probablement, plus important encore, à des tentatives de créer une industrie de taxi aérien urbain dans quelque chose comme des drones envahis. Siemens travaille lui-même avec Airbus Helicopters sur un de ces projets entièrement électriques, CityAirbus. En parallèle, Airbus travaille sur un projet Vahana qui développe sa filiale Silicon Valley. Il existe de nombreuses autres start-ups, dont le Chinese Ehang , les premières démonstrations de vols de passagers qui ont eu lieu cette année, lorsqu'un ingénieur a pris l'octocoptère de la compagnie vers le ciel.


Dans l'aviation, la plupart des hybrides sont basés sur une architecture cohérente dans laquelle un moteur à combustion - soit un moteur à combustion interne ou une turbine - alimente un générateur qui alimente les moteurs électriques, les hélices rotatives et la charge des batteries. Dans cette conception, les batteries fournissent les sursauts d'énergie à court terme nécessaires au décollage, ce qui permet aux techniciens de régler avec précision les moteurs à carburant afin qu'ils fonctionnent à des vitesses idéales. Les moteurs à réaction massifs suspendus aux ailes de votre avion ne fonctionnent à pleine puissance que pendant le décollage; ils restent en gros au ralenti et ne font qu'augmenter la masse de l'avion.

Il y a d'autres avantages. En distribuant l'énergie sur le fil, avec une conception hybride, vous pouvez positionner les vis exactement là où vous en avez besoin, sans tout équiper, en fonction uniquement de l'emplacement des énormes moteurs. Certains circuits hybrides tentent de positionner les hélices derrière l'avion ou même sur un stabilisateur vertical.

Deux consortiums principaux travaillent sur les hybrides. En Europe, Airbus a collaboré avec Siemens et Rolls-Royce dans une alliance distincte du projet CityAirbus. Aux États-Unis, Boeing et JetBlue font partie d'un projet concurrent géré par la startup Zunum Aero , basée à Kirkland, Washington. Les deux consortiums prévoient d'élever des hybrides dans l'air d'ici le début des années 2020.

Airbus prévoit de commencer avec une version modifiée de l'avion existant, British Aerospace 146 pour 100 sièges, dans lequel l'une des quatre gondoles sur les ailes ne tiendra pas un moteur, mais un moteur électrique de deux mégawatts. Il recevra l'énergie d'un générateur entraîné en rotation par une petite turbine à gaz située dans le fuselage (en raison de laquelle il ne subit pas de résistance à l'air). Si le système électrique tombe en panne, l'avion pourra voler avec trois hélices entraînées par des moteurs conventionnels. Airbus prépare un hybride pour démonstration au prochain Salon international de l'aéronautique et de l'espace de Paris .

Le Consortium américain n'a pratiquement rien dit de ses plans. En août 2017, GE Aviation a publié une description du concept et de l'énorme travail qui, selon elle, est en cours pour créer des générateurs hybrides. Dans une des expériences au sol, GE Aviation a utilisé un moteur de 1 MW pour faire tourner une hélice de 3,3 m de diamètre. Dans une autre, il a utilisé un compresseur du moteur GE F110 pour alimenter un générateur de 1 MW, tandis que le moteur a continué à fournir une traction.


Insérez les piles ici: ce Magnus eFusion a conduit le pilote Janusz B. et l'auteur de l'article en manœuvres sur un champ près de Budapest.

Bien qu'il y ait très peu d'informations sur le travail des deux consortiums, il ressort clairement des entretiens qu'ils se concentrent sur des améliorations dans quatre catégories technologiques: la capacité de la batterie, le poids du moteur et du générateur, l'efficacité de l'électronique de puissance, les matériaux et la conception du cadre. Au Consortium européen, Siemens est engagé dans le moteur, le générateur et l'électronique. En outre, la société a modifié plusieurs petits avions, créant des modèles entièrement électriques, estimant qu'il est possible d'optimiser véritablement toutes les pièces uniquement en les utilisant toutes ensemble dans l'avion.

«Nous acquérons de l'expérience en utilisant l'ensemble du système de propulsion électrique, tout entre le pilote et l'hélice», explique Frank Anton, chef de Siemens eAircraft. "La seule façon d'apprendre cela est d'envoyer la technologie en vol."

Les moteurs électriques peuvent être relativement petits et légers, ce qui ouvre de nombreuses possibilités. Vous pouvez installer un tas de petites vis sur les ailes et les faire pivoter pour faciliter le décollage. La NASA étudie même un schéma avec un tas de petites vis situées sur toute la longueur de l'aile, qui dirigent correctement le flux d'air sur la surface et augmentent le rapport entre la portance et la traînée . En conséquence, les ailes peuvent être raccourcies et plus minces.

"Séparez la génération du moteur", explique Anton, "et tout d'un coup, vous avez une tonne d'options de vectorisation de poussée différentes."

La tâche clé de la réduction du poids d'une centrale électrique dépend de deux choses. Premièrement, il est nécessaire d'augmenter la densité d'énergie des batteries, qui croîtra en douceur, au moins jusqu'à ce que les batteries lithium-ion modernes cèdent la place à une technologie complètement nouvelle, comme les batteries fer-air . Deuxièmement, la densité d'énergie du système provenant du moteur et du générateur devrait également augmenter. Il s'agit d'une entreprise Siemens.

Dans le nez de l'avion de Siemens, capable d'effectuer des acrobaties aériennes, se trouve leur moteur d'avion SP260D , qui, avec un poids de 50 kg et une puissance de 260 kW, a un rapport incroyable de 5,2 kW / kg. Un autre avion, pas capable de toutes les acrobaties aériennes, a le même rapport, bien que sa taille soit une fois et demie plus grande. Extra a volé devant le public en 2016 en Allemagne. En 2017, il établit un record de vols électriques, battant la barre à une vitesse de 340 km / h. Les ingénieurs de Siemens travaillent activement pour augmenter encore la densité d'énergie du moteur.

Dans un centre de recherche à Budapest, Balasz m'amène à un établi dans un laboratoire et me remet une pièce de moteur à moitié coupée. Cela fait partie du stator - la partie fixe autour de laquelle tourne le rotor - et dans sa section, des sections perpendiculaires de l'enroulement en cuivre sont vues, s'accordant comme des briques. Cette simplicité est une méthode clé pour atteindre des niveaux d'énergie élevés. Il ne laisse pas d'espace d'air qui pourrait interférer avec l'évacuation de la chaleur des fils vers le boîtier refroidi par liquide. Cette chaleur doit être éliminée de l'isolation des fils, sinon elle fondra et un court-circuit se produira .

"Nous avons besoin d'un transfert de chaleur plus homogène qu'un fil rond peut fournir, et nous espérons également une meilleure isolation électrique - tout cela est important pour le moteur d'avion", a déclaré Balash. Siemens commande spécifiquement ce câble auprès de Furukawa Electric Co. , Fournisseur japonais.

Ici, les ingénieurs effectuent des recherches quotidiennes, coupant le poids excessif de grammes par gramme. Cette approche fastidieuse rend ces pierres précieuses faites à la main plus chères que n'importe quelle Rolex. Lorsque je soulève la pièce de rechange pour estimer son poids, Balash frémit considérablement. Je l'ai soigneusement remis.

Il dit que dans quelques années, des milliers de ces moteurs seront fabriqués chaque année pour être utilisés dans les taxis aériens qui, comme le prévoient Siemens et tous ses concurrents dans la région, vont inonder nos villes à la manière des sauterelles. C'est alors que le coût de production des moteurs chuterait, peut-être même moins que le coût des moteurs à combustion interne comparables d'aujourd'hui, composés de centaines de pièces et réalisant d'innombrables interactions mécaniques complexes.

Mais le travail d'élimination du poids excessif de gramme par gramme finit par céder la place à des améliorations révolutionnaires. L'une d'elles s'est produite au début des années 1980 lorsque General Motors et Sumitomo Special Metals ont indépendamment introduit des aimants en néodyme à usage intensif dans les moteurs. La prochaine révolution sera associée aux électroaimants dont l'enroulement sera constitué de fils supraconducteurs.

Avec un tel enroulement, le moteur-générateur ne perdra pratiquement pas d'énergie sous forme de chaleur parasite - mais ce rêve ne se réalisera qu'après l'apparition des supraconducteurs à haute température. Les matériaux céramiques atteignent désormais la supraconductivité à des températures de -135 ° C , ce qui est 100 ° C plus chaud que le métal d'origine. Ainsi, au lieu de refroidir les fils avec de l'hélium liquide, pas beaucoup plus élevé que le zéro absolu, les concepteurs peuvent compter sur l'azote liquide.

Siemens travaille sur ce concept depuis près de deux décennies. Initialement, la société prévoyait de placer des moteurs supraconducteurs sur les navires, où l'espace et le poids sont particulièrement importants. Et pourtant, la version actuelle de leur moteur (utilisé comme générateur) est une telle armoire, la hauteur est supérieure à la hauteur d'une personne. Par conséquent, les ingénieurs de l'entreprise sont engagés dans sa miniaturisation pour une utilisation dans l'aviation. La densité de puissance cible est de 10 watts par gramme. Siemens ne m'a pas montré ces développements - seulement une image d'une machine plus grande avec refroidissement et un schéma d'une future version aéronautique.

D'autres entreprises visent également cela. GE Aviation travaille sur des moteurs à refroidissement cryogénique pour la NASA, mais n'a pas divulgué de détails. Toutes ces sociétés sont silencieuses; ils peuvent ne pas vouloir révéler les cartes, ou ils n'ont rien à montrer pour l'instant. Dans tous les cas, la NASA estime que les avions de passagers dotés de systèmes cryogéniques d'une capacité de 30 MW ou moins n'apparaîtront qu'au moins au milieu des années 2030.

Afin de profiter pleinement des avantages d'un moteur supraconducteur - et d'un générateur, dans un système hybride - il est nécessaire de créer des onduleurs supraconducteurs. La NASA travaille avec GE pour en produire un capable de fonctionner à 19 kW / kg avec une efficacité de 99%.

L'intégration du moteur dans le circuit hybride - probablement à l'aide d'une turbine à gaz pour faire tourner le générateur - est toujours en cours. Les ingénieurs de Siemens ont d'abord tout simulé dans un ordinateur, dans une simulation interactive, à partir de laquelle ils ne m'ont montré que quelques images à l'écran. Cela faisait partie de la simulation d'une machine conventionnellement refroidie. «C'est un hybride séquentiel, et la simulation nous montre la distribution de puissance», explique Balash.

Actuellement, les turbines à gaz sont principalement utilisées comme alimentation de secours pour les réseaux électriques, où le poids des composants n'a pas d'importance. Cependant
de nombreux avions militaires modernes tirent leur électricité de turbines alimentées soit par des compresseurs de turboréacteurs, soit par un flux d'air.

Il peut sembler que trop d'efforts sont dépensés pour économiser quelques kilogrammes - mais ici, chaque petite chose compte. Un kilogramme économisé sur le poids du moteur donne de précieux livres supplémentaires pour les batteries. Lorsque United Airlines a récemment commencé à imprimer son magazine passagers sur papier, pesant moins que d'habitude, économisant 28 grammes par chambre, soit environ 5 kg par vol, cela devrait permettre aux entreprises d'économiser 640 000 litres de carburant par an, soit 290 000 $.

C'est pourquoi les nouveaux avions de ligne, comme le Boeing 787, utilisent autant de polymères renforcés de fibre de carbone. Magnus eFusion fait de même: pour faire sortir un avion du hangar, les efforts d’une seule personne suffisent.

Avançons rapidement vers le produit final. Il apparaîtra dans dix ans, et les compagnies aériennes utiliseront des avions hybrides si silencieux qu'ils pourront survoler la ville la nuit. Grâce aux vis rotatives, ils pourront décoller de bandes plus courtes, éventuellement situées en plein dans l'année. Ils économiseront de l'énergie grâce à leur efficacité et à leur faible poids. Cela signifie que leur maintenance et leur possession seront moins chères - les avions d'aujourd'hui ont la situation inverse, car le coût de leur maintenance est beaucoup plus élevé que le prix d'achat.

Un hic: au cours des dix prochaines années, les hybrides simples ne seront que légèrement plus respectueux de l'environnement que les avions conventionnels. Une amélioration tangible résultera des économies d'échelle, lorsque les hybrides permettront à l'industrie de passer à des avions entièrement électriques, peut-être dès les années 2030. «L'hybridation nous permettra d'économiser entre 4% et 20% d'énergie», explique Otto Olaf, responsable des ventes et du développement commercial au bureau de Siemens à Munich. "Si nous électrifions complètement l'avion, les économies seront encore plus importantes."

De même, les transporteurs aériens souhaitent réduire les émissions de gaz à effet de serre. "L'initiative de l'UE sur la trajectoire de vol 2050 tente de réduire les émissions de plus de 2 fois", explique Anton de Siemens, "mais d'ici là, le trafic de passagers aurait dû doubler, nous avons donc besoin d'au moins quatre fois d'améliorer."

On ne sait pas exactement comment ces chiffres sont obtenus. La façon la plus simple de comparer les émissions est avec les passagers-milles. Il sera plus honnête de prendre en compte la source d'électricité attendue qui peut être générée au sol et stockée dans des batteries pour une utilisation ultérieure dans l'air. Dans les calculs, il est également nécessaire de prendre en compte la quantité d'énergie utilisée pour produire les batteries, les moteurs, les pièces ultra-légères en carbone composite de l'avion et tout le reste.

La même initiative de l'Union européenne vise à réduire de moitié le bruit des avions d'ici 2050.Il s'avère que c'est maintenant la plus grande motivation de l'industrie aéronautique. Afin de respecter les restrictions sur les vols de nuit, les transporteurs aériens dépensent parfois de l'argent pour étouffer les anciens avions haut de gamme.

«La grande surprise a été lorsque Siemens a commencé à parler aux transporteurs aériens», explique Anton. - J'ai toujours cru que le fonctionnement silencieux des moteurs est une priorité en troisième position, après l'énergie et les émissions. Et maintenant, c'est la première priorité. »

Ce ne sera pas la première technologie mise en œuvre avec succès pour des raisons non liées au réchauffement climatique. Les gens achètent une Prius hybride pour économiser sur l'essence; ils achètent une Tesla pour dépasser une Porsche. Les transporteurs aériens achèteront des avions hybrides en raison de leur fonctionnement silencieux, et une réduction des émissions de gaz à effet de serre se révélera être presque un effet secondaire. Mais ça le sera toujours.